仔细分析附表1可知,异步电动机转速一般在1450~700r/min之间,可以:
用400V/60Hz电制4对极的电动机,替换380V/50Hz电制3对极的同功率电动机;
用400V/60Hz电制5对极的电动机,替换380V/50Hz电制4对极的同功率电动机;
反之亦然。
这样做,电动机转速误差可控制在5%左右,符合船舶电动机使用规范的要求。
(2)调整转差率
绕线式电动机转子绕组串入电阻或附加电势,可调整转差率,即改变机械特性曲线的斜率:
增加转子串入的电阻,可以降低转子的转速;
减小转子串入的电阻,可以提高转子的转速。
对于恒转矩负载转子,设转子电阻re,额定转差率se,调速点转差率sd,则串入转子的电阻rd与转差率s的关系式是:
re/se=(re+rd)/sd
例如,400V/60Hz电制2对极电动机,原额定转速1740r/min,用于380V/50Hz电源,则:
①参照表1,额定转速1450r/min。
②按定义和已知条件:
se=(n1-nj)/n1=(1800-1740)/1800=0.0333;
sd=(1740-1450)/1740=0.1667。
③代入上式可得rd=4re
即,串入转子的电阻,阻值应是转子电阻的4倍。
2.电流和转矩变化及应对措施
2.1用于不同电制转子感抗的变化
电动机处于空载或轻载时,输出的转矩、功率很小,定子绕组电流也就很小,定子形成的旋转磁场场强就很弱,感应到转子绕组的电流也就小一些;当电机负载加大,电机输出的机械转矩随之加大,消耗的电能增加,定子绕组电流较大,感应到转子绕组上电流随之加大。这一点与变压器类似。
根据各参数之间的关系计算,可知同一电动机的转子感抗:
用于400V/60Hz电源是用于380V/50Hz电源的120%;
用于380V/50Hz电源是用于400V/60Hz电源的83.3%。
2.2转子感抗的变化对电流的影响
流经转子线圈的电流,与电压成正比,与感抗成反比:I=U/XL。
而转子感抗XL,又与其电感和电源频率(通过线圈电流的变化率)成正比。
转子电流是由定子绕感应产生的,因此,定子、转子电流的变化是相互的。
根据各参数之间的关系计算,以及上面 2.1用于不同电制转子感抗的变化 ,可得到结论2:
380V/50Hz电制异步电动机用于400V/60Hz电源,定子和转子实际电流都是设计值的87.7%;
400V/60Hz电制异步电动机,用于380V/50Hz电源,定子和转子实际电流都是设计值的114%。
2.3转子感抗的变化对输出转矩的影响
电动机电磁转矩(简称转矩),与下列因素有关:
电源电压和频率,
转子电路电流、感抗和功率因数,
定子电流和磁通,等。
额定转矩,指额定负载下工作时的电磁转矩,忽略损耗转矩,近似等于机械负载转矩。
起动转矩,指电动机即将起动(转速为0,转差率为1)时的转矩。
最大转矩,指最大转差率时的转矩。
过载系数,指最大转矩与额定转矩之比值,一般电动机的过载系数1.8~2.2。
根据各参数之间的关系计算,可得到结论3:
(1)400V/60Hz电动机用于380V/50Hz电源
额定转矩是原来的1.2倍,实际转矩又是额定转矩的1.313倍;
起动转矩和最大转矩都是原来的0.9025倍;
过载系数只有原来的75.2%。
(2)380V/50Hz电动机用于400V/60Hz电源
额定转矩是原来的83.3%倍,实际转矩又是额定转矩的76.16%;
起动转矩和最大转矩都是原来的1.108倍;
过载系数是原来的133%。
2.4控制电流和转矩的措施
2.4.1控制电流(针对结论2)
(1)控制定子电流
测量和控制异步电动机定子电流矢量(即矢量控制),根据磁场定向原理,分别控制异步电动机的励磁电流和转矩电流,从而控制异步电动机转矩,把定子电流由87.7%提高到100%。
选取自耦变压器的不同抽头。
定子回路串接三相对称电抗或电阻。
(2)控制转子电流
转子回路串接电阻或频敏变阻器来降低电流;
减少转子回路电阻来提高电流。
(3)控制启动电流(定子)
方法包括:矢量控制、空载起动、最低速起动、控制电路增加设置星型-三角形转换接法等。
2.4.2控制转矩(针对结论3)
(1)400V/60Hz电动机用于380V/50Hz电源:
限载,最大负载小于0.9025倍额定值,严禁过载使用。
减少启动次数,空载或最低速档起动,等。
(2)380V/50Hz电动机用于400V/60Hz电源:
必须降载使用,最大负载小于0.7616倍额定值,因为虽然起动转矩和最大转矩都是原来的110.8%,但实际转矩只有原来转矩的76.16%。
极对数是1或2的电动机,转速升的过多,电动机振动加剧,旋转部件因离心力过高而易受损害,必须降速起动。
3.电动机温升变化及应对措施
3.1电动机温升
影响电动机温升的因素,包括铁损、激磁电流、电动机负荷电流、功率因数引起的铜损、转速下降引起冷却气流减少因而散热气流量减少等。
其中最主要因素,是磁滞损耗和涡流损耗,而磁滞损耗和涡流损耗都随电源频率的降低而增加。
电动机工程中有所谓 八度规则 ,即电动机的工作温度每超过允许温升8℃,其寿命将缩短一半。
根据各参数之间的关系计算,可得到结论4:
380V/50Hz电动机用于400V/60Hz电源,温度变化不大。
400V/60Hz电动机用于380V/50Hz电源,电动机温升加剧,甚至可能过热、烧毁。
3.2控制电动机温升的措施
(1)400V/60Hz电动机用于380V/50Hz电源:
室外断续工作的电动锚机,其本身温升等级高,可勉强使用。
室内使用的电动机,密闭较好的可以加装风机或空调冷却;密闭不好的可以加装与电动机同步的风扇,加大电动机周围空气流动量。
(2)380V/50Hz电动机用于400V/60Hz电源:
电动机转速上升,电磁转矩小于额定值,最大负载转矩不大于额定值的76.16%,一般不必采取特殊的降温措施。
4.调整控制电路的措施
因为异步电动机用于非设计电制电源时转速电流、转矩、温升等以及控制电路电压改变,必须调整控制电路的过流保护值、欠压保护值等参数,否则会妨碍电路正常运转。
4.1400V/60Hz电动机用于380V/50Hz电源
(1)不可调高过电流保护装置线圈动作值因为实际转矩增加,转速下降,绕组电流增加,温度升高,电动机过热,需要热过载保护装置动作。
(2)电压方面
规范允许电压波动值是额定电压(400V)的-10%~+6%,欠压保护值在360V左右。
而由于电源电压下降20V,起动时电压更低,若设定值过高,欠压保护接触器可能动作频繁,所以应:
相关接触器线圈更换为380V;
欠压保护值下调至340V左右。
(3)电磁制动器
由于电压下降,吸力下降,为保障刹车有效性:
圆盘式电磁制动器,适当减少摩擦片(2~4片);
抱闸式电磁制动器,调整制动器至打开时的间隙不妨碍电动机自由转动为宜;
若以上调整不能满足实际需要,更换刹车线圈。
4.2380V/50Hz电动机用于400V/60Hz电源
(1)适当下调热过载保护装置动作值
因为电动机电流变小,而热过载保护装置原动作值偏大,若不适当下调,当线圈电流达到其原来的动作值时已经严重过载,可能烧毁电机。
(2)电压方面
欠压保护值应设定在360V左右。因为电压升高了20V,若欠压保护设定值仍是340V,起不到欠压保护作用。
(3)电磁制动器
不必调整。因为实际使用电压400V,小于原设定的380V的106%(402.8V),仍在规范规定范围内。
5.结论
实践证明,异步电动机用于非设计电制电源,虽然电压和频率改变导致转速、电流、温升和转矩(含起动力矩)等参数都有较大变化,但只要采取措施使这些参数符合船舶电动机使用规范的规定,就可以保证电动机安全运转。